身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析

随着海洋资源越来越受到国家重视,水下机器人已成为科研的热点。仿生机器鱼作为水下机器人,具有低噪声、对环境扰动小等特点。身体/尾鳍推进模式(Body and/or caudal fin,BCF)仿生机器鱼是指以身体/尾鳍推进模式推进的仿生机器鱼,它具有高速、高效、机动性高等优势,是近年来仿生机器鱼研制的重点。随着1994年首条仿生机器鱼的研制成功,许多优秀的相关研制成果已应用到水下考古、水质监测、污染检测等领域。基于此,介绍BCF鱼类的分类及特点、BCF生物鱼以及仿生鱼的推进机理,并着重介绍国内外BCF仿生样机的研制进展,对已有样机的驱动方式、机械结构和游动性能进行详细分析,揭示不同驱动方式所面临的技术问题,在此基础上总结BCF仿生机器鱼的发展趋势和应用前景。     

轻小型磁动力机器鱼机械设计与致动机理研究

随着人类对海洋的深入探索,自主水下机器人逐渐成为研究的热点。由于传统推进方式使用螺旋桨作为动力元件具有效率低、结构复杂、噪音大等缺点,研究人员开始尝试设计新型推进方式。受到自然界鱼类运动方式的启发,现提出一种新型水下机器鱼推进机构的设计方案。首先介绍该设计的机械结构,然后阐述该方案的致动机理,最后以水中实验测试论证其可行性。结果表明,采用该推进方式水下机器鱼游动性能很好,在很大程度上弥补了传统推进方式的缺点。     

仿生机器鱼的运动学参数及实验研究

研究了尾鳍运动参数对推进速度的影响，进行了2关节仿生机器鱼与单关节尾鳍摆动式水下推进器的对比实验，给出了实验结果。实验结果表明2关节仿生机器鱼比单关节尾鳍摆动式水下推进器在相同实验条件下具有更高的推进速度。该仿生机器鱼可以实现对水下运动装置的推进，并且具有噪声低、对环境扰动小等特点。     

仿鲹科类机器鱼的研制与实验

机器鱼的研究,为研制水下低噪声、高效、商机动性移动平台提供了一个可行的方向。鱼在水下的游动方式多种多样,文章对其中一种即鲹科鱼类的游动方式进行了分析研究,介绍了按此原理模仿研制的1条三节的机器鱼,并对实验结果进行了初步的分析。     

水下取样机器鱼的设计与控制

依托机器鱼模型,运用力学和智能控制技术方面的知识,设计出一款可用于水下水质取样的仿生机器鱼样机。机器鱼可实现水中自由游动、水样采集、水下物理参数分析等功能,在科研、水下探测、水质监测、环境保护等方面可以发挥较大作用。     

多关节自主游动机器鱼的设计与控制

为研究机器鱼设计过程中的关键问题(如密封、配重)以及机器鱼控制中的难点(如逼真的模拟鱼的游动),设计了四关节且可以自主游动的鲹科机器鱼研究平台,展示了机器鱼机械结构和控制系统的设计过程。水下实验证明此机器鱼平台可行而有效,能够真实地模拟真鱼的游动姿态和行为,可用于后续研究,如提高机器鱼的游动效率、优化机器鱼的控制算法等。     

基于双斜面偏转关节的新型仿生机器鱼推进机构研究

提出一种用于仿生机器鱼的新型尾部推进机构,该机构主要由双斜面偏转关节构成,可通过调节推进机构的2个驱动电机耦合转动来完成其两自由度偏摆运动。首先,阐明了该两自由度耦合偏摆关节的运动学机理,并通过ADAMS运动仿真,验证了其应用于机器鱼上实现直线游动的可行性。然后,建立了仿生机器鱼的直线巡游控制策略,并采用无人机航拍在户外水塘中进行了直线游动实验。水下实验测试结果表明,该仿生机器鱼可实现速度可控的直线巡游,最大速度为0.69m/s。与现有结果相比,基于双斜面偏转关节的仿生推进机构可为机器鱼设计提供新的参考。     

仿鲹科机器鱼双体耦合波动推进动力学特性研究

采用数值模拟方法仿真分析了仿鲹科机器鱼在不同波动频率、波动幅度和初始相位差下的双体耦合波动推进动力学特性,重点研究了同相和反向波动时的阻力和升力系数。实验测试表明:双体机器鱼反相波动耦合推进速度比同相波动高,且游动更稳定。研究结果对仿生水下机器人的研制具有指导意义。     

扑翼型机器鱼的建模及实现

把昆虫和鸟类的翼在空中张合和鱼的胸鳍在水中摆动进行类比,结合水下扑翼型推进鱼的原型,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料加入扑翼飞行器实现机器鱼的水下复合推进.设计利用曲柄摇杆机构实现扑翼运动,使用弹簧作为连接胸鳍与舵机的力传输元件,有效降低能量损耗;在尾部的沉浮舵通过拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉.实验证明,这种机器鱼实现了预期的扑翼形式.     

仿生机器鱼研究进展及发展趋势

随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。     

两栖仿生机器鱼机构设计及初步运动仿真

对国内外机器鱼的研究现状及研究成果进行分析,设计出四关节结构且可两栖行走的仿生机器鱼,对工作原理、关节结构设计及两栖行走装置设计详细介绍,简述其可完成的动作,依据机械控制的基础理论建立简单串联模型,并给出机器鱼两个运动方案,进行运动学的初步仿真,最终总结两栖仿生机器鱼的运动仿真结果。     

风浪激励下的两栖车辆非线性横摇动力学研究

采用单自由度系统研究了两栖车辆在规则波浪和风载荷激励下的非线性横摇动力学,建立了考虑非线性阻尼和非线性恢复力矩的非线性横摇动力学方程。非线性横摇动力学方程对应的哈密尔顿函数表明,当只有波浪扰动力矩作用时,非线性横摇运动是对称的;当有风载荷作用时,两栖车辆的非线性横摇运动不在对称。采用梅尔尼科夫法给出了激励幅值的阈值范围。最后,采用四阶龙格库塔法对两栖车辆的非线性横摇运动方程在不同的外载荷参数下进行数值积分。结果表明,两栖车辆横摇在风浪联合作用下表现出明显的非线性特性。     

基于多目标遗传算法的水陆两栖可变形机器人结构参数设计方法

水陆两栖可变形机器人是一种兼具变形能力与两栖环境适应能力的新型移动机器人。在其机构设计中,结构参数直接影响该机器人在任务环境中的各项机动性能。针对水陆两栖可变形机器人工作环境复杂性和任务多变性,提出一种基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法,以得到该型机器人在两栖环境中的最优的综合性能。在水陆两栖可变形机器人陆地环境和水环境中运动学和动力学模型基础上,建立两栖环境中机器人的机动性能指标函数与结构参数的映射关系,并在此基础之上构建面向水陆两栖可变形机器人的结构参数设计的多目标优化问题。利用多目标遗传算法得到该多目标机构参数设计问题的Pareto最优解集,并且通过组合赋权方法确定各目标决策属性的权重,从Pareto最优解集中得到符合设计要求的水陆两栖可变形机器人的各项机构参数最优解,进而指导机器人最终结构参数设计。根据最终得到的结构参数研制出水陆两栖可变形机器人样机Amoeba-II,并在两栖环境下进行样机的各项性能试验,最终验证了基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法的有效性以及在机器人设计中的适用性。     

四配流窗口轴向柱塞马达机液耦合仿真分析

针对工程机械回转机构能耗大的问题,分析了四配流窗口轴向柱塞液压马达实现回转执行机构能量回收方法的原理。物理样机实验对泄漏和内部接触应力研究存在一定困难,且样机试制成本高、周期较长。鉴于以上情况,提出一种机液耦合仿真分析实验方法。通过AMESim和RecurDyn共同联合搭建仿真平台,得到四配流窗口轴向柱塞马达对应于不同工况下柱塞副、滑靴副间的的瞬态应力应变。仿真结果表明,四配流窗口轴向柱塞马达结构设计合理,并验证了联合仿真方法的可行性,为后续结构改进优化提供参考依据。     

两栖车辆与磁流体推进技术研究

阐述了磁流体推进技术和传统两栖车辆水上推进技术,针对磁流体推进技术的优越性与传统推进技术作了对比研究。基于磁流体推进技术的在舰船和潜艇推进的应用和磁流体装置小型化技术的研究,提出了两栖车辆磁流体推进技术的观点,并进行了可行性研究。     

仿鱼鳞的减阻表面设计

基于对鱼鳞减阻原理的分析,讨论了不同鱼类表面的牺牲性粘液减阻、表面切向流减阻两种原理;提出了针对不同粘度介质中的运动物体,应采用相应的减阻表面设计;分析了鱼鳞的结构布置与几何曲线,提出了模仿鱼鳞原理与结构进行减阻表面仿生设计的方法,这对在水和其它流体中运动的机械表面减阻设计具有指导意义。     

基于传感器的两栖机器人环境感知系统研究

通过对两栖机器人复杂作业环境及自身设计特点的分析,针对水面、陆地及水陆交叠的不同环境,分别为机器人设计了基于传感器的环境感知系统,并在此基础上,针对陆地环境将模糊控制算法引入两栖机器人的避障研究,设计了模糊控制器.仿真及实验研究的结果表明,该环境感知系统可以在不同的作业环境下及时准确地获取环境信息,同时模糊控制算法应用于陆地环境下的机器人局部路径规划后,取得了较优的无碰撞局部路径.     

基于CFD软件的两栖车辆仿生推进装置翼盘仿真模拟

采用RNGk-ε湍流模型与SIMPLE算法,应用CFD软件对两栖车辆仿生推进装置的翼盘在不同速度工况下进行数值模拟。通过分析不同速度工况下翼盘所能产生的推力和翼盘外流场的分布情况,直观揭示了2种翼盘的运动情况,为两栖车辆仿生推进装置的研制提供了一定的参考依据。     

基于虚拟装配技术的连杆机械手运动干涉研究

对一种机械偏心连杆振动装置中的所有零件,建立了三雏实体造型,并利用三维 Autodesk Inventor 软件,对各零件进行了部件的虚拟动画装配、总体的虚拟装配及运动干涉模拟,纠正了各零件之间的相互干涉和设计中结构的不合理之处,体现了现代三维设计软件的优越性.     

水力机械内压力变化梯度对鱼类损伤的模拟试验

近几年来随着人们对环保问题的重视,水力机械应用中对自然界鱼类损伤的问题逐渐引起了人们的关注。采用由压力容器、真空泵和空气压缩机组成的管路系统模拟水力机械内压力变化过程,采用由压力传感器、放大电路、A/D数模转换卡和计算机组成的数据采集系统测量压力时间变化,观察并解剖分析压力梯度对鱼造成损伤的情况。通过研究发现负压状态下的压力梯度会对鱼的生存构成威胁,并得到了水力机械内对鱼类通过安全的压力梯度极限值,为新型环保的水力机械的设计提供了参考数据。